使用虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)加速半導(dǎo)體工藝發(fā)展

作者：

Coventor（泛林集團(tuán)旗下公司）半導(dǎo)體工藝與整合(SPI)高級(jí)工程師王青鵬博士

摘要：虛擬DOE能夠降低硅晶圓測(cè)試成本，并成功降低DED鎢填充工藝中的空隙體積

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)是半導(dǎo)體工程研發(fā)中一個(gè)強(qiáng)大的概念，它是研究實(shí)驗(yàn)變量敏感性及其對(duì)器件性能影響的利器。如果DOE經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，工程師就可以使用有限的實(shí)驗(yàn)晶圓及試驗(yàn)成本實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體器件的目標(biāo)性能。然而，在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域，DOE（或?qū)嶒?yàn)）空間通常并未得到充分探索。相反，人們經(jīng)常使用非常傳統(tǒng)的試錯(cuò)方案來挖掘有限的實(shí)驗(yàn)空間。這是因?yàn)樵?a target="_blank">半導(dǎo)體制造工藝中存在著太多變量，如果要充分探索所有變量的可能情況，需要極大的晶圓數(shù)量和試驗(yàn)成本。在這種情況下，虛擬工藝模型和虛擬DOE可謂是探索巨大潛在解空間、加速工藝發(fā)展的同時(shí)減少硅實(shí)驗(yàn)成本的重要工具。本文將說明我們?cè)诟呱顚挶韧祖u填充工藝中，利用虛擬DOE實(shí)現(xiàn)了對(duì)空隙的有效控制和消除。示例中，我們使用原位沉積-刻蝕-沉積 (DED) 法進(jìn)行鎢填充工藝。

基于硅的掃描電鏡圖像和每個(gè)填充步驟的基本行為，使用SEMulator3D?虛擬工藝建模，重建了通孔鎢填充工藝。

建模工藝包括：

1. 前置溝槽刻蝕（初刻蝕、初刻蝕過刻蝕、主刻蝕、過刻蝕）

2. DED工藝（第一次沉積、第一次深度相關(guān)刻蝕、第二次沉積工藝）

3. 空隙定位和空隙體積的虛擬測(cè)量

為了匹配實(shí)際的硅剖面，工藝模型中的每個(gè)步驟都經(jīng)過校準(zhǔn)。

使用SEMulator3D生成的模擬3D輸出結(jié)構(gòu)與硅的圖像進(jìn)行對(duì)比，它們具有相似的空隙位置和空隙體積（見圖1）。圖1顯示了SEMulator3D和實(shí)際硅晶圓中的相應(yīng)工藝步驟。使用新校準(zhǔn)的模型，完成了3次虛擬DOE和500多次模擬運(yùn)行，以了解不同工藝變量對(duì)空隙體積和彎曲關(guān)鍵尺寸的影響。

圖1：DED工藝校準(zhǔn)

l第一次DOE

在第一次DOE中，我們使用DED工藝步驟進(jìn)行了沉積和刻蝕量的實(shí)驗(yàn)。在我們的測(cè)試條件下，空隙體積可以減小但永遠(yuǎn)不能化零，并且沉積層不應(yīng)超過頂部關(guān)鍵尺寸的45%（見圖 2）。

圖2：DED等高線圖、杠桿圖、DOE1的輸出結(jié)構(gòu)

l第二次DOE

在第二次DOE中，我們給校準(zhǔn)模型（DEDED工藝流程的順序）加入了新的沉積/刻蝕工藝步驟。這些新的沉積和刻蝕步驟被設(shè)置了與第一次 DOE相同的沉積和刻蝕范圍（沉積1和刻蝕1）。沉積1(D1)/刻蝕1(E1)實(shí)驗(yàn)表明，在D1和E1值分別為47nm和52nm時(shí)可以獲得無空隙結(jié)構(gòu)（見圖 3）。需要注意，與第一次DOE相比，DEDED工藝流程中加入了新的沉積和刻蝕步驟。與之前使用的簡(jiǎn)單DED工藝相比，這意味著工藝時(shí)間的增加和生產(chǎn)量的降低。

圖3：DEDED等高線圖、杠桿圖、DOE2的輸出結(jié)構(gòu)

l第三次DOE

在第三次DOE中，我們通過調(diào)整BT（初刻蝕）刻蝕行為參數(shù)進(jìn)行了一項(xiàng)前置通孔剖面的實(shí)驗(yàn)。在BT刻蝕實(shí)驗(yàn)中，使用SEMulator3D的可視性刻蝕功能進(jìn)行了工藝建模。我們?cè)谔摂M實(shí)驗(yàn)中修改的是等離子體入射角度分布(BTA)和過刻蝕因子(Fact)這兩個(gè)輸入?yún)?shù)。完成虛擬通孔刻蝕后，使用虛擬測(cè)量來估測(cè)每次模擬運(yùn)行的最大彎曲關(guān)鍵尺寸和位置。這個(gè)方法使用BTA（初刻蝕等離子體入射角度分布）和Fact（過刻蝕量）實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)生成了虛擬結(jié)構(gòu)，同時(shí)測(cè)量和繪制了彎曲關(guān)鍵尺寸和位置。第三次DOE的結(jié)果表明，當(dāng)彎曲關(guān)鍵尺寸足夠小時(shí)，可以獲得無空隙的結(jié)構(gòu)；當(dāng)彎曲關(guān)鍵尺寸大于150nm時(shí)，空隙體積將急劇增加（見圖4）。因此，可以利用最佳的第三次DOE結(jié)果來選擇我們的制造參數(shù)并進(jìn)行硅驗(yàn)證。

圖4：前置通孔剖面實(shí)驗(yàn)等高線圖、杠桿圖、DOE3的輸出結(jié)構(gòu)

通過將前置通孔彎曲規(guī)格設(shè)置在150nm以下（圖5中的145nm），我們?cè)谧罱K的硅工藝中獲得了無空隙結(jié)構(gòu)。此次，硅結(jié)果與模型預(yù)測(cè)相符，空隙問題得到解決。

圖5：當(dāng)彎曲關(guān)鍵尺寸小于150nm時(shí)，SEMulator3D預(yù)測(cè)的結(jié)果與實(shí)際的硅結(jié)果

此次演示中，我們進(jìn)行了SEMulator3D建模和虛擬DOE來優(yōu)化DED鎢填充，并生成無空隙結(jié)構(gòu)，3次DOE都得到了空隙減小或無空隙的結(jié)構(gòu)。我們用DOE3的結(jié)果進(jìn)行了硅驗(yàn)證，并證明我們解決了空隙問題。硅結(jié)果與模型預(yù)測(cè)相匹配，且所用時(shí)間比試錯(cuò)驗(yàn)證可能會(huì)花費(fèi)的短很多。該實(shí)驗(yàn)表明，虛擬DOE在加速工藝發(fā)展并降低硅晶圓測(cè)試成本的同時(shí)，也能成功降低DED鎢填充工藝中的空隙體積。

審核編輯黃宇